基于动态仿真的煤矿胶轮车侧翻安全性能改进与评价

张 凡

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

工 程车辆通过在驾驶室安装侧翻保护结构 (Rollover Protection Structure，ROPS) 以减少侧翻事故中伤亡人数。目前对 ROPS 的设计与检测都是基于静态加载试验标准[1-3]，但是车辆的侧翻往往是一个动态过程，已有研究指出，满足静态加载试验标准的工程车辆驾驶室在侧翻时往往不能对乘员起到很好的承载保护和缓冲作用[4-6]。

相比于地面工程车辆，煤矿井下胶轮车辆的工作环境更加恶劣，事故发生后的救援成本更加高昂。为了验证胶轮车驾驶室在动态侧翻过程中的安全性能，笔者以 WC8E 型煤矿井下胶轮车为例，建立了整车侧翻动态试验模型，对其动态侧翻过程进行研究；然后对驾驶室结构进行了优化设计，并结合驾驶室能量吸收率和人体头部损伤指标对优化前后的驾驶室侧翻动态安全性能进行了评价分析。

1 整车显式动力学动态侧翻仿真

1.1 WC8E 型胶轮车有限元模型

WC8E 型胶轮车采用特殊的铰接式车身与自卸式结构，车身横向稳定性较差，易发生侧翻事故。首先，根据车体结构与各部件质量建立整车三维模型，随后对整车结构进行网格划分。驾驶室、座椅、方向盘和安全带等对乘员安全性起决定作用的部件采用精细网格划分，其余部件由于在侧翻碰撞过程中主要起配重作用，并不与地面发生直接碰撞接触，因此进行适当简化，采用较大网格进行划分。随后，根据实际情况定义各部件材料与连接方式进行装配，胶轮车前后机架采用 1D-joint 单元进行连接，并释放对应的自由度。各部件网格参数设置如表 1 所列。

表1 各部件网格参数设置Tab.1 Settings of grid parameters of various components

为了更好地评估在侧翻动态过程中人员损伤情况，引入 HYBRID-Ⅲ50TH 型假人，以操作姿态放置于驾驶室座椅上，并用两点式安全带对假人进行约束。安全带宽度为 100 mm，材质使用尼龙织带，建立的 WC8E 型胶轮车有限元模型如图 1 所示。

图1 WC8E 型胶轮车有限元模型Fig.1 Finite element model of WC8E rubber-tyred vehicle

1.2 侧翻边界条件的确定

胶轮车工作环境恶劣，行驶速度较为缓慢，不同工况下发生侧翻的临界条件比较相似，通常都是由于车辆横向失稳使车身达到临界侧翻角所致。车辆临界侧翻角

式中：h为整车质心高度；W为两轮外沿宽度。本例中h=1 016 mm，W=2 050 mm，则可得α=44.75°≈45°。

考虑到 WC8E 型胶轮车前机架采用非对称设计，即驾驶室在左发动机舱在右，因此在仿真胶轮车侧翻时，需考虑顺时针斜坡侧翻和逆时针斜坡侧翻两种工况。

将整车旋转至临界侧翻角以达到失稳状态继而发生侧翻。考虑到车辆前进速度对车辆侧翻影响较小，因此使车辆无初速度沿坡道侧翻，并将地面设置为刚性材料，以仿真最严苛的实际侧翻工况。建立的WC8E 型胶轮车动态侧翻模型如图 2 所示。

图2 WC8E 型胶轮车动态侧翻模型Fig.2 Dynamic roll-over model of WC8E rubber-tyred vehicle

1.3 整车侧翻仿真分析

将所建立的 WC8E 型胶轮车动态侧翻模型定义边界关系，由于车辆碰撞会产生较大的非线性塑性变形，因此采用显式动力学有限元求解器 LS-DYNA 进行显式求解，使用 HYPERVIEW 对求解文件进行后处理，提取不同时刻 WC8E 型胶轮车侧翻动态响应，如表 2 所列。

表2 WC8E 型胶轮车侧翻动态响应Tab.2 Dynamic response of roll-over of WC8E rubber-tyred vehicle

从表 2 可以看出：在顺时针侧翻工况下，第 870 ms 时驾驶室与刚性地面发生接触，造成驾驶室局部变形，到第 1 000 ms 时驾驶室上部结构出现较大的塑性变形，此时假人头部已与地面产生接触碰撞。随后车辆进一步翻滚碰撞，驾驶室上部结构完全塌陷，直至翻滚 180°后停止，此时假人头部已暴露在窗外，可见驾驶室结构不能为乘员提供良好的保护作用；在逆时针侧翻工况下，由于发动机舱与地面首先发生碰撞，吸收了部分动能，减缓了碰撞冲击，因此该工况下驾驶室结构的变形量远远小于顺时针侧翻工况下，同时假人在安全带的束缚下横向移动较小，只有小臂暴露在驾驶室之外。据此可以确定顺时针侧翻为危险工况，接下来将对顺时针侧翻工况下的驾驶室结构进行分析与优化。

目前，国标 GB/T 17922 中对铰接式自卸车驾驶室强度检测时的静态侧向和垂向加载力根据下式确定：

式中：m为车辆的整备质量。

WC8E 型胶轮车为 10 700 kg，则该驾驶室的静态标准侧向和垂向加载力分别为 103.03 和 209.83 kN。

以顺时针侧翻为最危险工况，提取动态侧翻过程中驾驶室所受碰撞力变化曲线，如图 3 所示；选取其中 3 个峰值碰撞力与静态标准加载力进行比较，如图4 所示。图 4 中虚线代表标准规定的静态加载力大小与加载位置，加载方式为持续加载；实线代表驾驶室在动态侧翻过程中所受 3 个峰值碰撞力及与其作用时间段。

图3 侧翻过程碰撞力变化曲线Fig.3 Variation curve of collision force during roll-over

图4 标准静态加载力与动态碰撞力对比Fig.4 Comparison of standard static loading force and dynamic collision force

从图 4 可以看出，驾驶室所受的几个峰值碰撞力作用点与静态侧向加载力作用点较为接近，但是碰撞力的作用持续时间、大小与方向均与静态加载力具有较大差别，这说明对工程车辆进行静态标准加载测试很难保证其动态侧翻安全性能，即静态加载标准不能够作为评价工程车辆驾驶室侧翻安全性能的唯一标准。

2 驾驶室内部结构优化

2.1 内置式 ROPS 结构设计

通过对 WC8E 型胶轮车进行动态侧翻分析可知，车辆驾驶室结构在侧翻中剧烈变形，发生了塌陷，乘员安全容身空间被入侵情况比较严重，需对驾驶室结构进行改进。

考虑到胶轮车在井下行驶的通过性，在外部对驾驶室进行结构加强会导致车辆整体宽度和高度增加，降低了车辆的巷道通过性。因此，选择在驾驶室内部安装内置式 ROPS 的方案，ROPS 应具有足够的强度，同时不能对驾驶室内部空间和乘员的视野有较大的影响。

设计的内置式 ROPS 如图 5 所示。该框架根据驾驶室内部结构尺寸进行设计，选用 Q345A 高强度钢，立柱通过焊接的方式与前机架连接。首先对其使用 10 mm 网格进行壳单元划分，随后与驾驶室进行定位装配，焊接位置使用 1D-weld 单元。

图5 内置式 ROPSFig.5 Built-in ROPS

2.2 改进结果分析

将安装有 ROPS 的 WC8E 型胶轮车模型按照 1.2中所设定的边界条件进行动态侧翻仿真，侧翻结束时改进前后驾驶室变形对比如图 6 所示。

图6 侧翻结束时优化前后驾驶室变形对比Fig.6 Comparison of cab deformation at time of roll-over ending before and after optimization

3 动态安全性能评价

驾驶室 ROPS 除了要具有足够的强度，给乘员提供安全容身空间以外，还通过塑性变形吸收侧翻动能，减少乘员所受冲击伤害，并且避免车辆进一步翻滚，即 ROPS 的刚度、强度与能量吸收值之间相互制约，强度并不是越大越好；因此需对胶轮车侧翻时驾驶室的动态安全性能进行评价，以人体头部损伤指标和驾驶室能量吸收率作为胶轮车驾驶室动态安全性能评价指标。

3.1 人体头部损伤指标

侧翻过程中，人体头部除了受到碰撞挤压以外，过大的加速度还会对头部产生不可逆的损伤，考虑到加速度作用的头部损伤指标HIC[7]的计算公式如下：

式中：T0、TE分别为驾驶室与地面碰撞的起始和终止时刻；t1、t2分别为HIC值最大的起始和终止时刻；R(t) 为头部合成加速度。

对于HIC值，相关安全法规规定其值不允许超过1 000，超过 1 000 即意味着人体头部有受到致命伤的风险。

3.2 驾驶室能量吸收率

在驾驶室与地面碰撞过程中，通过驾驶室结构塑性变形吸收车辆侧翻动能，因此在保证驾驶室内部安全空间的前提下，驾驶室结构吸收的能量越多，车辆进一步翻滚的趋势就越弱，对车内乘员的保护效果也就越好。因此提出以驾驶室能量吸收率E来对驾驶室动态安全性能进行评价，其表达式如下：

3.3 驾驶室动态安全性能评价

分别对改进前后的驾驶室结构进行整车动态侧翻分析，并提取假人头部质心处合成加速度曲线，如图7 所示。

图7 优化前后假人头部合成加速度变化曲线对比Fig.7 Comparison of variation curve of resultant acceleration of dummy head before and after optimization

在驾驶室改进前的侧翻过程中，假人头部合成加速度峰值达到了 418.26g，虽然持续时间很短，但峰值过后又出现了 4 次较大的峰值；在驾驶室改进后的侧翻过程中，假人头部合成加速度最大值为202.47g，作用时间仅为 1～ 2 ms，随后趋于稳定。

为了对侧翻过程中驾驶室能量吸收率进行计算，对车辆侧翻过程中能量变化进行分析，改进前侧翻过程中能量变化曲线如图 8 所示。

图8 侧翻过程中能量变化曲线Fig.8 Variation curve of energy during roll-over process

由图 8 可以看出：车辆产生侧翻趋势但尚未与地面发生碰撞时，整车动能与整车总能量曲线基本重合，说明此刻能量的转换主要是势能向动能转换；当驾驶室与地面接触碰撞时，驾驶室通过变形吸收整车动能，致使整车动能迅速降低，整车内能与驾驶室内能升高。由此可以判断在侧翻过程中能量的转化是通过变形将整车动能转化成内能，因此上文定义的驾驶室能量吸收率E即为侧翻过程中驾驶室内能增加量与车辆碰撞时总能量的比值。

采用相同方法提取驾驶室改进前后车辆侧翻过程中的能量变化，计算头部损伤指标HIC值和驾驶室能量吸收率E，如表 3 所列。

表3 优化前后指标对比Tab.3 Comparison of indexes before and after optimization

改进后假人头部损伤指标HIC值降低了 47.1%，已小于规定安全极限值 1 000；另外，由于驾驶室强度提升，其通过塑性变形吸收能量的能力降低，能量吸收率降低了 7.2%。

事实上，由于煤矿井下环境限制，车辆发生 90°侧翻后，受到巷道宽度限制，往往不会继续横向翻滚，即侧翻时通过驾驶室吸收车辆动能以阻止进一步翻滚的作用较小，因此在驾驶室结构设计时可以将能量吸收率作为次要指标。综上初步得到煤矿井下胶轮车驾驶室的动态性能评价原则为：驾驶室在承受侧翻动态碰撞力后，在其结构未侵入人体安全容身空间，头部损伤指标HIC值小于 1 000 的情况下，驾驶室能量吸收率越高，对乘员的保护效果越好。

4 结论

基于 LS-DYNA 建立了 WC8E 型煤矿胶轮车斜坡动态侧翻模型，对其动态侧翻响应进行了研究。

（1) 车辆侧翻时所受的动态碰撞力与标准静态加载力有较大差别，表明在进行胶轮车驾驶室强度设计时应以动态碰撞力为设计条件，才更符合实际侧翻工况。

（2) 通过对优化前后的驾驶室进行安全性能评价发现，提高驾驶室强度会导致其缓冲吸能能力显著降低，增大了乘员受到冲击伤害的概率，因此在对胶轮车进行设计时，驾驶室能量吸收率也应当作为主要考虑的设计指标之一。